電子技術論文紅外無損檢測技術在建筑工程中的應用研究

　　建筑工程質量直接關系到人民群眾的切身利益，如何對建筑工程質量進行監督檢驗成為工程質量監督部門的一大難題。目前紅外檢測技術對建筑結構工程中的應用還不廣泛，故紅外熱像技術在建筑工程中用來無損探測，分析和掌握結構內部狀態的便成了一項新技術。本文將具體介紹目前紅外無損檢測技術在我國建筑工程中各個領域的應用，并對其未來發展做了進一步的探討。

　　《今日電子》(月刊)創刊于1993年，由信息產業部下屬的電子工業出版社與美國國際數據集團(IDG)主辦，美國赫斯特(Hearst)出版公司協辦。雜志面向電子工程師和工程經理，涵蓋集成電路、元器件、電源、儀器、通信、測試、設計及軟件等方面，包括最新技術發展動態，熱點問題討論、新產品、新技術及其應用等內容，側重報道產品、技術、應用和市場趨勢，積極促進電子技術的交流與發展，是業界很有影響的刊物。

　　1 引言

　　紅外檢測技術是近年新興的建筑物無損檢測方法,其紅外成像技術是集先進的光電子技術、紅外探測器技術和紅外圖像處理技術于一身的高科技產品，隨著電子計算機和信息處理技術的飛速發展，這一技術在近年來得到了前所未有的發展。由于它具有獨特的優點,能補充傳統檢測手段的不足,正日益受到人們的重視和應用。

　　紅外無損檢測技術已經在建筑診斷學中取得了許多顯著效果。對于建筑結構我們可用熱像儀進行觀測，利用紅外圖像的異常點來檢測其內部及表面缺陷，并及時采取措施檢修，防止事故發生。

　　與常規的超聲、射線、電磁等無損檢測技術相比,紅外無損檢測技術具有如下突出特點：

　　(1)是一種非接觸式的檢測技術，對被測物體沒有任何影響。

　　(2)遠距離、空間分辨率高、檢測范圍廣，對其它檢測技術有互補作用。

　　(3)安全可靠，對人體無害。

　　(4)靈敏度高，檢測速度快。

　　(5)只要被測目標與周圍環境表現出不同的熱力學特征,就能被探測到。

　　本文將詳細介紹紅外無損檢測技術的技術原理以及在建筑工程各個領域中的具體應用。

　　2 紅外熱像儀的基本工作原理

　　任何物體由于其自身分子的運動，不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場，俗稱“熱像”。很多信息可以通過紅外圖像進行有效反映。紅外成像是唯一一種可以將熱信息瞬間可視化，并加以驗證的診斷技術。紅外輻射是由原子或分子的振動或轉動引起的自然界中任何溫度高于絕對零度的物體都能輻射紅外線,紅外輻射功能率與物體的表面溫度密切相關,而其表面溫度場的分布直接反應傳熱時材料的熱工性質、內部結構及表面狀況對熱分布的影響,一般材料的溫度與紅外輻射功率的關系可表示為下式:

　　M=(1)

　　式中,M是物體表面單位面積輻射的紅外輻射功能();T是物體表面的絕對溫度(K);是斯蒂芬-波爾茲曼常數,=5.673();是物體的發射率(),它隨物體的種類、性質和表面狀況不同而異。因此,紅外熱成像就是把來自目標的紅外輻射轉變成可見的熱圖像,通過直觀地分析物體表面的溫度分布,推定物體表面的結構狀態和缺陷,并以此判斷材料性質和受損情況的一種無損檢測方法。

　　物體內部出現缺陷時,其表面的熱場會發生變化。因此,通過接收來自物體表面的熱波,就可以對物體內部的狀態作出判斷。一般材料的熱傳導方程為：

　　(2)

　　式中:

　　t—溫度(℃或K);λ—導熱系數[W/(m.K)];τ—時間(s或h);ρ—密度(kg/);

　　α—熱擴散率(導溫系數:/s);c—比熱(J/kg.K)。

　　材料的λ、ρ和c不同，使物體表面的溫度和輻射率不同，從而影響紅外輻射的數量，并形成各種不同特征的紅外熱像圖。當物體內部存在裂縫和缺陷時，它將改變物體的熱傳導，使物體表面溫度分布產生差別，利用紅外熱像的檢測儀測量它的不同熱輻射，可以查出物體的缺陷位置。在進行具體計算時此式還可以做進一步的簡化。

　　紅外診斷技術正是通過吸收這種紅外輻射能量，測出設備表面的溫度及溫度場的分布，從而判斷能檢測出混凝土細微的熱狀態變化，準確反映其內部、外部的異常情況，可靠性高，對發現質量隱患非常有效。紅外熱像儀就是利用紅外探測器、光學成像物鏡和光機掃描系統(目前先進的焦平面技術則省去了光機掃描系統)接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上，在光學系統和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構(焦平面熱像儀無此機構)對被測物體的紅外熱像進行掃描，并聚焦在單元或分光探測器上，由探測器將紅外輻射能轉換成電信號，經放大處理、轉換或標準視頻信號通過電視屏或監測器顯示紅外熱像圖。工作原理如圖1所示.這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。

　　圖1熱成像系統的工作原理

　　3在建筑工程中的應用領域

　　3.1火災后鋼筋混凝土結構損傷程度的檢測

　　混凝土材料遭受火災高溫作用后,將發生一系列的物理化學變化:諸如水泥石、骨料的相變,裂紋增多,結構疏松多孔,水泥石-骨料界面的開裂、脫節等。使混凝土由表及里逐漸疏松開裂。不同的受火溫度、持續時間，將造成不同深度和程度的損傷，使混凝土導溫系數發生變化。從而引起材料熱傳導性能的變化，導致紅外輻射隨受損情況不同而各異，并可形成不同特征的紅外熱圖譜像。混凝土試件受不同溫度作用后的紅外熱像特征及其力學性能變化規律的基本趨勢是：火燒溫度越高，損傷越嚴重，紅外熱像溫度越高。受災溫度低于400°C時混凝土損傷不明顯，熱像平均溫升變化很小，強度略有反彈。500°C以上的高溫對混凝土有較嚴重的損傷,強度下降迅速，熱像溫度也明顯升高。為此建立了紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度及強度損失的檢測模型

　　根據數學原理,紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度及強度損失的兩個線性關系可表達如下：

　　，(3)

　　線性相關系數。

　　，(4)

　　線性相關系數。

　　式中：為混凝土的紅外熱像平均溫升，;T為混凝土的受火溫度，;為混凝土的強度損失，%。

　　通過分析便可識別和鑒定火燒混凝土的受災溫度及損傷情況。為火災建筑物的修復加固提供科學依據。

　　3.2.建筑物外墻飾面貼磚(面層)的檢測

　　經過幾年的研究工作和實際工程應用，紅外熱像法對建筑物外墻飾面施工質量檢測技術已趨成熟，相應的技術標準已通過中國建筑科學研究院組織的技術審查。

　　當外墻飾面材料粘結質量有問題的時候，在外墻飾面材料之間或與主體結構材料之間就會形成很薄的空氣層，由于這個空氣層有很好的隔熱性能，所以飾面材料的空鼓部分使外墻飾面和建筑結構材料之間的熱傳遞就變得很小。混凝土或鋼筋混凝土墻體的熱容量很大，在正常情況下，外墻表面的溫度比結構材料的溫度高時，熱量會由外墻飾面傳遞給結構墻體材料;當外墻溫度低時，則熱量會翻向傳遞。由于飾面材料空鼓部分與結構材料之間的熱傳遞很少，因此，有空鼓的外墻在日照或外氣溫發生變化時，比正常墻面的溫度變化大。一般來說，日照時外墻表面溫度升高，此時，由于空鼓部位的熱量未及時傳遞給飾面基底，所以溫度比正常部位的溫度低。紅外根據這個原理，通過外墻表面溫度場的變化來判斷飾面工程的質量。

　　其理論基礎是飾面磚在升溫過程中,其吸收熱量與溫度的關系為

　　(5)

　　式中H—外部熱源傳至飾面磚的熱量;B—飾貼面磚上單位面積的熱容量;K—飾面磚與墻之間的導熱率;—飾面磚的表面溫度;—墻的溫度。

　　由(1)式解得

　　(6)

　　若想紅外熱像中的缺陷分布明顯易辨，需要外部熱源比較強烈，如日照較強時，有利于缺陷的分辨;而日照不強或陰天時，較難準確辨別缺陷。故紅外熱像檢測外墻飾面應在無雨、低風速、強日光的環境條件下進行，檢測時應考慮建筑物的方位、周邊環境有無遮擋等因素，選擇最佳拍攝時間，對紅外圖像進行處理分析，判斷外墻飾面損壞情況。

　　類似的在加固工程中混凝土構件粘鋼質量也可以利用紅外熱像技術檢測。

　　3.3墻體、管道滲漏檢測

　　屋面防水層失效和墻面微裂，造成雨水滲漏，紅外熱像檢測技術可以檢出水分滲入隱匿部位。由于室內熱擴散，陽光被吸收和傳導均可使滲漏部位與周邊正常部位溫度分布的有所差異，因而可采用紅外熱像技術加以檢測、分析判斷。

　　如果建筑物表面深層相對于周圍的材料表現出熱或涼，則其表面的溫度也相應地表現出熱或涼，借助紅外熱像儀可探測出這一深層熱或涼的位置。通常稱之為熱源法。利用這種方法，可以方便地探測出地下管道的位置，如果地下管道隔熱層斷裂，那么在表面將會產生熱點，此類故障可用熱像儀直接測得。管道熱水泄漏浸透周圍區域，使區域導熱性增加，從而使周圍溫度比無泄漏干燥區溫度高，據此可探測泄漏部位。

　　3.4鋼結構焊縫探傷檢測

　　鋼材的熱傳導性很好，在自然光的照射下，鋼結構表面溫度相差很小。如果對鋼結構通以電流，電流流經鋼材時做功而使之發熱，當鋼材內部存在缺陷時，缺陷部位就會呈現高阻狀態，電流通過時，就會呈現出溫度異常，根據這種異常就能存在缺陷存在的位置。

　　3.5建筑節能檢測

　　在我國隨著對建筑節能要求的提高，建筑物的節能檢測勢在必行，那擺在我們面前的就是怎樣知道建筑保溫絕熱效果，采用紅外熱像可檢測出建筑物的能量損失程度，就能準確地得到建筑保溫絕熱效果，對建筑物的隔熱保溫性能的評價具有很大的借鑒意義。但目前我國紅外熱像技術在節能檢測領域的研究尚屬起步階段，還沒有確定的指標對建筑物的熱像圖進行節能定量評價。

　　3.6其他領域

　　利用紅外成像技術，晚上在高處用熱像儀掃描白天經過太陽暴曬的機場跑道,可以檢查出厚度為(30至40)cm水泥板與土層的粘接缺陷。此外紅外熱像檢測技術,可初步評估混凝土的缺陷程度，包括混凝土的內部空鼓和裂縫狀態，為建筑物的修復加固提供科學依據。作者曾參與的對某工程的檢測圖像之一如下：

　　圖2某混凝土結構表面的紅外熱像圖譜

　　熱像圖譜中所圈出的部位，經過進一步的檢測，在保護層的20mm下面發現此兩處結構確實存在內部缺陷，有空洞現象，混凝土澆筑不密實。圖片來源于[5]。

　　4 結論及展望

　　房屋熱診斷學是近年來從土木工程學科中演變分化出來的一門新學科.而紅外無損檢測技術已經在房屋熱診斷學中取得了顯著的效果，但其在建筑結構中的應用還處于形成和發展階段，從理論到實際應用還有很多基礎性和技術性的工作需要深入研究。未來的發展方向如下：

　　(1)與其它檢測方法綜合利用

　　紅外成像檢測技術具有獨特的優點,但也有自身的局限性,例如,它局限于建筑物表層和淺層的檢測,未能涉及結構材料的深層內部。因此它需要與其它檢測手段互補組合,如,與聲發射及超聲波檢測手段匹配組合,發揮各自的優勢,方能比較全面地鑒定建筑物的質量。

　　(2)檢測由定性化向定量化發展

　　紅外技術在建筑物質量檢測方面的應用近年來才起步，對于建筑物許多方面的紅外檢測多停留在定性判斷水平階段，其研究現狀和工程檢測經驗尚不足以建立比較成熟的定量化模型。但隨著各國的研究者對其技術定量化的研究以及大量的實驗室模擬,相信不久在建筑工程領域中紅外無損檢測技術必定成為定量化的檢測技術。

　　(3)檢測方法的系統化和規范化

　　目前對紅外無損檢測技術缺乏相應的操作規范和標準，故對其的系統化、規范化標準化研究也是今后發展的一個重點。

　　參考文獻：

　　[1]張建合,郭廣平.國內外飛速發展的熱像無損檢測技術.[J].無損探傷,2005,29(1):1-4.

　　[2]杜紅秀,張雄,韓繼紅.混凝土火災損傷的紅外熱像檢測與評估.[J].同濟大學學報，2002，30(9):15-21.

　　[4]黃沛,謝慧才,袁昕.混凝土構件粘鋼補強質量的紅外熱像檢測方法.激光與紅外,2004,34(5).

　　[5]劉守亮.紅外熱像技術在混凝土結構無損檢測中的應用.第六屆全國土木工程研究生學術論文集.2008